王艷艷，何小武，劉士余，李保同，周昌明

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西南昌 330045)

實驗教學(xué)是高等學(xué)校教育中極為重要的環(huán)節(jié)。當前傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式存在教學(xué)資源匱乏、 實驗與理論課程融合不足、 教學(xué)媒介與實驗教學(xué)融合較差等問題[1]。因此，迫切需要深化實驗教學(xué)方法改革[2]。2018年，教育部明確提出，要加快信息技術(shù)與教學(xué)過程的融合，更好地利用虛擬仿真等技術(shù)實現(xiàn)工程實驗教學(xué)[3]。

虛擬現(xiàn)實（VR）包含增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)，其可將抽象內(nèi)容變?yōu)榭梢暤摹⒁子诶斫獾木唧w知識。國內(nèi)外極少數(shù)高校在機械制造、環(huán)境工程、基因工程等專業(yè)實驗教學(xué)中，采用了“VR+”技術(shù)，且存在多學(xué)科交融性弱、 與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)和創(chuàng)新自由度不足等問題。目前，鮮有高校探索基于“VR+云平臺”的農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)實驗教學(xué)模式。

針對以上問題，本文探索基于“VR+云平臺”的農(nóng)業(yè)水利工程類課程實驗教學(xué)改革，提出“VR+學(xué)習(xí)動機激勵”教育理念，并重塑“教與學(xué)”模式[4]。通過將實驗課程與理論課程相結(jié)合，虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合，豐富教學(xué)內(nèi)容和手段，并超越實驗教學(xué)的時空限制。采取多元化考核方式，激發(fā)教師教學(xué)活力，豐富實驗資源，提高學(xué)生學(xué)習(xí)動力，助力打造一流課程。

主要研究內(nèi)容為： 農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)“VR+云平臺”建設(shè)、基于“VR+云平臺”的農(nóng)業(yè)水利工程類課程實驗教學(xué)改革。

1 農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)“VR+云平臺”建設(shè)

1.1 VR 教學(xué)資源建設(shè)

目前，本專業(yè)所建立的VR 教學(xué)資源較少，可根據(jù)實驗教學(xué)大綱的要求，增加相應(yīng)理論教學(xué)中碎片化的知識和虛擬仿真實驗：如購買相關(guān)高校、科研院所及公司共建的VR 教學(xué)資源，目前已發(fā)布的虛擬仿真實驗項目如表1所示。

表1 已上線課程虛擬仿真實驗明細

虛擬仿真實驗可以將成本高、 不可逆的過程進行虛擬化，也可以將不可見或者隱藏性的結(jié)果三維可視化，可清晰地看到水工建筑物中使用的零部件，而且可以自行完成拆卸、組裝等過程，極大地提高了實驗的可操作性。以渠系工程施工為例，VR 資源是通過拍照、三維掃描等對真實場景或者具體物體進行測繪，從而獲取水利工程設(shè)施的設(shè)計圖紙，之后通過相關(guān)軟件進行建模，最后形成虛擬的場景，如閘室工程施工虛擬仿真示意圖如圖1所示。

圖1 閘室過程施工仿真示意圖

1.2 農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)“VR+云平臺”建設(shè)

為了便于教師、學(xué)生使用，開發(fā)能夠滿足課堂理論教學(xué)需求的“VR+云平臺”。此平臺主要是通過虛擬化技術(shù)建立服務(wù)器，并將VR 教學(xué)資源上傳到云端，借助云處理實現(xiàn)云端渲染。針對平臺門戶管理與虛擬化系統(tǒng)的通信問題，設(shè)計制定專門的通信協(xié)議，實現(xiàn)VR 教學(xué)資源應(yīng)用在運行狀態(tài)下與門戶管理平臺的交互，完成VR 教學(xué)資源的應(yīng)用授權(quán)、 實驗成績數(shù)據(jù)傳送等工作內(nèi)容[6]。

平臺由VR 教學(xué)資源、云服務(wù)器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用管理平臺4 要素組成，應(yīng)用管理平臺系統(tǒng)包括登錄管理、實驗管理、成績管理、統(tǒng)計管理等，如圖2所示。

圖2 平臺管理系統(tǒng)

1.3 “VR+云平臺”的優(yōu)點

“VR+云平臺”的優(yōu)點如下：權(quán)威性、先進性、便捷性、安全性、高效性，具體如圖3所示。

圖3 “VR+云平臺”的優(yōu)點

2 基于“VR+云平臺”的農(nóng)業(yè)水利工程類課程實驗教學(xué)改革

教學(xué)PPT+VR 資源直播互動教學(xué)顛覆了傳統(tǒng)在線教學(xué)看視頻、讀PPT 的教學(xué)模式，讓抽象的理論知識立體化、形象化、直觀化，充分調(diào)動學(xué)生的主動能觀性和思維能力。教師可以在“在線板書”上還原線下的教學(xué)過程，能夠更靈活地進行示范引導(dǎo)。而且教學(xué)答題互動、VR 資源的操作可以提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)熱情。

2.1 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合

基于虛擬仿真技術(shù)，以水利工程職業(yè)能力培養(yǎng)虛擬仿真實訓(xùn)中心和平臺建設(shè)為例，借助虛擬現(xiàn)實制作工具unity3D、微透鏡陣列顯示技術(shù)、光線跟蹤算法、真實繪制技術(shù)、三維虛擬聲音技術(shù)、語音合成技術(shù)、人機自然交互技術(shù)、眼動跟蹤技術(shù)、手勢識別技術(shù)、實時碰撞檢測技術(shù)、 三維全景技術(shù)等建設(shè)出實訓(xùn)中心教學(xué)內(nèi)容和實訓(xùn)中心平臺，同時拍攝用于360°參觀學(xué)習(xí)的水利工程等全景視頻。

這種在軟件和硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過軟件程序模擬真實實驗過程的教學(xué)形式，不僅有效地解決了高校實訓(xùn)設(shè)備陳舊、落后，實訓(xùn)項目經(jīng)費緊張、實訓(xùn)師資力量薄弱、實訓(xùn)課時緊等問題，而且還能避免一些危險性高的操作項目對學(xué)生可能造成的傷害。另外，虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)成功不僅能豐富實訓(xùn)等課程的教學(xué)資源，而且能進一步促進傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)的改革，不斷推動實訓(xùn)教學(xué)向信息化和科學(xué)化方向發(fā)展進步。同時也可以近距離參觀學(xué)習(xí)各大著名水利工程和國內(nèi)外優(yōu)秀實訓(xùn)室，豐富學(xué)生們的認知。

2.2 VR+云實驗三步法

將虛擬仿真實驗與云平臺相結(jié)合，提出“VR+云實驗三步法”：

第一步，VR+云預(yù)習(xí)：實驗前，學(xué)生通過手機上網(wǎng)及3D 版實驗指導(dǎo)書預(yù)習(xí)，并上傳預(yù)習(xí)報告，平臺自動評定學(xué)生實驗預(yù)習(xí)成績。

第二步，VR+云講解： 教師借助VR 教學(xué)資源講解實驗內(nèi)容。

第三步，VR+云指導(dǎo)：學(xué)生借助手機，自行學(xué)習(xí)解決在做實驗時碰到的問題。

2.3 云平臺考核實驗成績

教師可以單機教學(xué)，也可以多機分組教學(xué)，并可靈活設(shè)置保存各種分組策略。并且可以實時監(jiān)控學(xué)生操作過程，日志記錄實訓(xùn)難點以及易錯點，更有針對性教學(xué)。學(xué)生在完成實驗后，教師通過增加虛擬仿真實驗操作成績，實現(xiàn)“線上虛擬仿真實驗+線下實驗+平時成績+期末測試”新型考核方式，從而改變單一的“實驗+平時表現(xiàn)+期末測試”考核機制，可激發(fā)教師教學(xué)活力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)動力，助力打造一流課程。

通過“VR+云平臺”兩大平臺、“VR+云預(yù)習(xí)”“VR+云講解”“VR+云指導(dǎo)”實驗三步法，應(yīng)用于高等教育教學(xué)中，豐富了原有的教學(xué)媒體，延展了教育技術(shù)的范圍，為職業(yè)教育實訓(xùn)教學(xué)提供了強有力的支持；學(xué)生不再受實訓(xùn)場地、實訓(xùn)設(shè)備等實訓(xùn)條件的限制，也不必過于擔心實訓(xùn)課時緊，實訓(xùn)安全風(fēng)險的存在等問題，可以自主的暢游虛擬學(xué)習(xí)世界，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效果和效率。隨著對虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育實訓(xùn)教學(xué)的研究不斷深入，高等教育教學(xué)的改革和發(fā)展也將迎來新的機遇。